La NASA planea enviar misiones tripuladas a Marte durante la próxima década – pero el Viaje de 225 millones de kilómetros al planeta rojo de ida y vuelta podría llevar varios meses o años.
Este tiempo de tránsito relativamente largo es el resultado del uso de combustible químico tradicional para cohetes. Pero la agencia está desarrollando una tecnología alternativa a los cohetes propulsados llamada propulsión térmica nuclear, que utiliza fisión nuclear y podría un día impulsar un cohete que hace el viaje en solo la mitad del tiempo.
La fisión nuclear implica recolectar la increíble cantidad de energía liberada cuando un neutrón divide un átomo. Esto se conoce como reacción de fisión. La tecnología de fisión está bien establecida en la generación de energía y en los submarinos de propulsión nuclear, y su aplicación para impulsar un cohete algún día podría brindarle a la NASA una alternativa más rápida y poderosa a los cohetes impulsados químicamente.
La NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) están desarrollando conjuntamente tecnología NTP (propulsión térmica nuclear). Planean desplegar y demostrar las capacidades de un prototipo en el espacio en 2027, lo que podría convertirlo en uno de los primeros de su tipo construido y operado por los EEUU.
La propulsión térmica nuclear también podría algún día alimentar plataformas espaciales maniobrables eso protegería los satélites estadounidenses dentro y más allá de la órbita de la Tierra. Pero la tecnología aún está en desarrollo.
Soy profesor asociado de ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Georgia (EEUU) y mi grupo de investigación construye modelos y simulaciones para mejorar y optimizar diseños de sistemas de propulsión térmica nuclear. Mi esperanza y pasión es ayudar a diseñar el motor de propulsión térmica nuclear que llevará una misión tripulada a Marte.
Propulsión nuclear versus química
Los sistemas convencionales de propulsión química utilizan una reacción química en la que intervienen un propulsante ligero, como el hidrógeno, y un oxidante. Cuando se mezclan, ambos se prenden, lo que hace que el combustible salga de la tobera muy rápidamente para lanzar el cohete.
Estos sistemas no requieren ningún tipo de sistema de ignición, por lo que son fiables. Pero estos cohetes deben llevar oxígeno consigo al espacio, lo que puede hacerlos muy pesados. A diferencia de los sistemas de propulsión química, los sistemas de propulsión térmica nuclear se basan en reacciones de fisión nuclear para calentar el combustible que luego se expulsa por la tobera para crear la fuerza motriz o empuje.
En muchas reacciones de fisión, los investigadores envían un neutrón hacia un isótopo más ligero de uranio (uranio-235). El uranio absorbe el neutrón, creando uranio-236. Luego, el uranio-236 se divide en dos fragmentos (los productos de fisión) y la reacción emite algunas partículas variadas.
Más de 400 reactores nucleares en funcionamiento en todo el mundo utilizan actualmente tecnología de fisión nuclear. La mayoría de estos reactores nucleares en funcionamiento son reactores de agua ligera. Estos reactores de fisión utilizan agua para frenar los neutrones y absorber y transferir calor. El agua puede generar vapor directamente en el núcleo o en un generador de vapor, que impulsa una turbina para producir electricidad.
Los sistemas de propulsión térmica nuclear funcionan de manera similar, pero utilizan un combustible nuclear diferente que tiene más uranio-235. También funcionan a una temperatura mucho más alta, lo que los hace extremadamente potentes y compactos. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen aproximadamente 10 veces más densidad de potencia que un reactor de agua ligera tradicional.
La propulsión nuclear podría tener una ventaja sobre la propulsión química por algunas razones.
La propulsión nuclear expulsaría el propulsor de la boquilla del motor muy rápidamente, generando alto empuje. Este alto empuje permite que el cohete acelere más rápido.
Estos sistemas también tienen un impulso específico elevado. El impulso específico mide la eficiencia con la que se utiliza el propulsor para generar empuje. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen aproximadamente el doble de impulso específico que los cohetes químicos, lo que significa que podrían reducir el tiempo de viaje en un factor de 2.
Historia de la propulsión térmica nuclear
Durante décadas, el gobierno de Estados Unidos ha financiado el desarrollo de tecnología de propulsión térmica nuclear. Entre 1955 y 1973, los programas de NASA, General Electric y Argonne National Laboratories produjeron y probaron en tierra 20 motores de propulsión térmica nuclear.
Pero estos diseños anteriores a 1973 dependían de combustible de uranio altamente enriquecido. Este combustible ya no se utiliza debido a sus peligros de proliferación, o peligros que tienen que ver con la difusión de material y tecnología nuclear.
La Iniciativa global de reducción de amenazas, lanzada por el Departamento de Energía y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, tiene como objetivo convertir muchos de los reactores de investigación que emplean combustible de uranio altamente enriquecido en combustible de uranio poco enriquecido y de alto ensayo, o HALEU.
El combustible de uranio de alto ensayo y poco enriquecido tiene menos material capaz de sufrir una reacción de fisión, en comparación con el combustible de uranio altamente enriquecido. Por lo tanto, los cohetes necesitan cargar más combustible HALEU, lo que hace que el motor sea más pesado. Para resolver este problema, los investigadores están estudiando materiales especiales que utilizarían el combustible de manera más eficiente en estos reactores.
El cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares de la NASA y DARPA, o programa DRACO, pretende utilizar este combustible de uranio poco enriquecido de alto ensayo en su motor de propulsión térmica nuclear. El programa prevé lanzar su cohete en 2027.
Como parte de DRACO, la empresa aeroespacial Lockheed Martin se ha asociado con BWX Technologies para desarrollar los diseños del reactor y del combustible.
Los motores de propulsión térmica nuclear que están desarrollando estos grupos deberán cumplir con las normas específicas de rendimiento y seguridad. Necesitarán tener un núcleo que pueda funcionar durante la misión y realizar las maniobras necesarias para un viaje rápido a Marte.
Idealmente, el motor debería ser capaz de producir un impulso específico elevado y al mismo tiempo satisfacer los requisitos de alto empuje y baja masa del motor.
Investigación en curso
Antes de que los ingenieros puedan diseñar un motor que satisfaga todos estos estándares, deben comenzar con modelos y simulaciones. Estos modelos ayudan a los investigadores, como los de mi grupo, a comprender cómo manejar el motor, el arranque y el apagado. Estas son operaciones que requieren cambios rápidos y masivos de temperatura y presión.
El motor de propulsión térmica nuclear será diferente de todos los sistemas de energía de fisión existentes, por lo que los ingenieros necesitarán crear herramientas de software que funcionen con este nuevo motor.
Mi grupo diseña y analiza reactores de propulsión térmica nuclear mediante modelos. Modelamos estos complejos sistemas de reactores para ver cómo cosas como los cambios de temperatura pueden afectar la seguridad del reactor y del cohete. Pero simular estos efectos puede requerir una gran cantidad de potencia informática que es muy costosa.
Hemos estado trabajando para desarrollar nuevas herramientas computacionales que modelan cómo actúan estos reactores mientras están puestos en marcha y operados sin utilizar tanta potencia informática.
Mis colegas y yo esperamos que esta investigación algún día pueda ayudar a desarrollar modelos que puedan controlar el cohete de forma autónoma.
Fuente: https://ift.tt/Zvon26i
Publicado: October 25, 2024 at 09:05PM
